Накопичення ушкоджень в основних несучих конструкціях споруд, резерв працездатності

Abstract

В статті наведені результати експериментальних досліджень міцності та деформативності несучих конструкцій, які виготовлені із деревини при дії статичних навантажень. У більшості великих міст України існує значна кількість споруд, які мають історичну та архітектурну цінність. Щоб зберегти ці споруди на довголіття, необхідно постійно одержувати подібну інформацію про стан їх несучих конструкцій для прийняття своєчасних рішень про підсилення, заміну, капітальний ремонт тощо. В матеріалах будівельних конструкцій за період експлуатації зміни, які пов’язані з появою, розвитком та накопиченням ушкоджень структури. Ці ушкодження визивають субмікро- і мікротріщини, які є результатом зовнішніх механічних дій на конструкцію і тому перехід в граничний стан є результатом повільного накопичення пошкоджень. Розробивши методику реєстрації пошкоджень, можна одержати інструмент, який дозволяє не тільки контролювати поточний стан конструкції, а також прогнозувати зміни її несучої здатності в часі. В період експлуатації проходить зміна структури матеріалів несучих конструкцій. Розвиток цього процесу складається з декількох етапів, основними з яких є: деформування міжатомних зв’язків, зародження субмікротріщин в результаті розриву макромолекул, які утворюють стінки трахеїд. Це чиниться раптово і супроводжується слабкими звуковими сигналами, які нагадують мікровибух. Взаємодія субмікротріщин приводить до їх злиття і виникнення мікротріщин, а злиття та збільшення мікротріщин – до виникнення макротріщин (магістральної тріщини), яка приводить до руйнування матеріалу. Цей динамічний процес, в залежності від величини, характеру та часу дії навантаження, може стабілізуватися в часі або, продовжуючись, привести до руйнування конструкції. Для виявлення і реєстрації пошкоджень матеріалу не придатні механічні та електричні прилади, що застосовуються в теперішній час (індикатори, тензорезістори та інші прилади). Для цієї мети необхідно використовувати неруйнівні методи дослідження, що дозволяють вести безперервне спостереження за субмікро- та мікропроцесами, які проходять в структурі матеріалу конструкції. Такі методи оцінки залишкового ресурсу в даний час успішно застосовують тільки в авіації та на важливих енергетичних устаткуваннях (теплові, гідравлічні, атомні електростанції тощо)До теперішнього часу не існує методики обліку зміни ресурсу матеріалу в процесі експлуатації, тому що потреба для вивчення цих процесів очевидна. Назріла необхідність всебічно дослідити питання накопичення ушкоджень в дерев’яних конструкціях при дії навантаження, та зв’язані з цим процеси зміни площі поперечного перерізу та несучої здатності і використати результати дослідження при розрахунку конструкцій. Це дає можливість знизити матеріалоємність та зробить перерізи дерев’яних конструкцій більш економічними, а також дозволяє уникнути надмірних запасів міцності. Напрям удосконалення методики проектування та розрахунку дерев’яних конструкцій та визначення залишкового ресурсу основних дерев’яних конструкцій споруд ще не знайшли відображення в технічній літературі. В зв’язку з цим потребується його всебічне дослідження. Для дослідження процесів накопичення ушкоджень в матеріалі конструкції був використаний метод, який не руйнує конструкцію. Це метод акустичної емісії, яка зв’язана з розповсюдженням в матеріалі пружних хвиль викликаних динамічною локальною перебудовою його структури. Сигнали акустичної емісії з’являються при виникненні мікро- і макродефектів і супроводжують увесь процес деформування матеріалу. Це дозволяє діагностувати стан конструкції, оскільки випромінювання звукових коливань можна виявити на тій стадії, коли конструкція в цілому ще залишається працездатною.

В статье приведены результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности несущих конструкций, изготовленных из дерева при действии статических нагрузок. В большинстве крупных городов Украины существует огромное количество сооружений, которые имеют историческую и архитектурную ценность. Чтобы сохранять эти сооружения веками, необходимо постоянно получать подобную информацию о состоянии их несущих конструкций для принятия своевременных решений о усилении, замене, капитальном ремонте и т. п. В материалах строительных конструкций за период эксплуатации происходят изменения, связанные с появлением, развитием и накоплением повреждений структуры. Эти повреждения вызывают субмикро- и микротрещины, которые являются результатом внешних механических воздействий на конструкцию и поэтому переход в граничное состояние является результатом медленного накопления повреждений. Разработав методику регистрации повреждений, можно получить инструмент, позволяющий не только контролировать текущее состояние конструкции, но и прогнозировать изменение ее несущей способности во времени. В период эксплуатации происходит изменение структуры материалов несущих конструкций. Развитие этого процесса состоит из нескольких этапов, основными из которых являются: деформирования межатомных связей, зарождения субмикротрещины в результате разрыва макромолекул, которые образуют стенки трахеид. Это оказывается внезапно и сопровождается слабыми звуковыми сигналами, напоминающими микровзрыв. Взаимодействие субмикротрещины приводит к их слиянию и возникновения микротрещин, а слияние и увеличение микротрещин - к возникновению макротрещин (магистральной трещины), которая приводит к разрушению материала. Этот динамичный процесс, в зависимости от величины, характера и времени действия нагрузки, может стабилизироваться во времени или, продолжаясь, привести к разрушению конструкции. Для выявления и регистрации повреждений материала не пригодны механические и электрические приборы, применяемые в настоящее время (индикаторы, тензорезисторы и другие приборы). Для этой цели необходимо использовать неразрушающие методы исследования, позволяющие вести непрерывное наблюдение за субмикро- и микропроцессов, которые проходят в структуре материала конструкции. Такие методы оценки остаточного ресурса в настоящее время успешно применяют только в авиации и на важных оборудования (тепловые, гидравлические, атомные электростанции и т.д.) До настоящего времени не существует методики учета изменения ресурса материала в процессе эксплуатации, так как потребность для изучения этих процессов очевидна. Назрела необходимость всесторонне исследовать вопрос накопления повреждений в деревянных конструкциях при воздействии нагрузки, и связанные с этим процессы изменения площади поперечного сечения и несущей способности и использовать результаты исследования при расчете конструкций. Это дает возможность снизить материалоемкость и сделает сечения деревянных конструкций более экономичными, а также позволяет избежать чрезмерных запасов прочности. Направление совершенствования методики проектирования и расчета деревянных конструкций и определения остаточного ресурса основных деревянных конструкций сооружений еще не нашли отражения в технической литературе. В связи с этим требуется его всестороннее исследование. Для исследования процессов накопления повреждений в материале конструкции был использован метод, который не разрушает конструкцию. Это метод акустической эмиссии, которая связана с распространением в материале упругих волн вызванных динамической локальной перестройкой его структуры. Сигналы акустической эмиссии появляются при возникновении микро- и макродефектов и сопровождают весь процесс деформирования материала. Это позволяет диагностировать состояние конструкции, поскольку излучение звуковых колебаний можно обнаружить на той стадии, когда конструкция в целом еще остается работоспособной.

The article presents the results of experimental studies of the strength and deformability of load bearing structures made of wood under the action of static loads. In most major cities of Ukraine there are a huge number of buildings that have historical and architectural value. To preserve these structures for centuries, it is necessary to constantly receive such information about the state of their supporting structures for making timely decisions about reinforcement, replacement, overhaul, etc. In the materials of building structures, changes occur during the period of operation associated with the appearance, development and accumulation of structural damage. These damages cause submicron and microcracks, which are the result of external mechanical effects on the structure and therefore the transition to the boundary state is the result of a slow accumulation of damage. Having developed a technique for registering damage, you can get a tool that allows you not only to monitor the current state of the structure, but also to predict the change in its bearing capacity over time. In the period of operation there is a change in the structure of materials bearing structures The development of this process consists of several stages, the main of which are: deformation of interatomic bonds, nucleation of a sub-microcrack as a result of breaking macromolecules that form the walls of tracheids. This turns out to be suddenly and is accompanied by weak sound signals, resembling a micro explosion. The interaction of submicrocracks leads to their merging and the occurrence of microcracks, and the merging and increase of microcracks - to the occurrence of macrocracks (trunk crack), which leads to the destruction of the material. This dynamic process, depending on the size, nature and time of action of the load, may stabilize over time or, continuing, lead to the destruction of the structure. Mechanical and electrical devices currently used (indicators, strain gauges and other devices) are not suitable for detecting and recording material damage. For this purpose, it is necessary to use non- destructive research methods that allow continuous observation of submicro- and micro-processes that take place in the structure of the material of the structure. Such methods for estimating the residual life are currently being successfully applied only in aviation and on important equipment (thermal, hydraulic, nuclear power plants, etc.) The processes are obvious. There is a need to comprehensively investigate the issue of damage accumulation in wooden structures under load, and the associated processes of changing the cross-sectional area and carrying capacity and use the results of the study in the calculation of structures. This makes it possible to reduce the consumption of materials and make the sections of wooden structures more economical, and also allows you to avoid excessive margins. The direction of improving the methods of designing and calculating wooden structures and determining the residual life of the main wooden structures of structures are not yet reflected in the technical literature. In this regard, it requires a comprehensive study. To study the processes of damage accumulation in the material of construction, a method was used that does not destroy the structure. This is an acoustic emission method, which is associated with the propagation in the material of elastic waves caused by the dynamic local restructuring of its structure. Acoustic emission signals appear at the onset of micro and macro defects and accompany the entire process of material deformation. This allows you to diagnose the state of the structure, since the emission of sound vibrations can be detected at the stage when the structure as a whole is still operational.